Размещено на http://www.allbest.ru/

«АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра электроэнергетики и электромеханики ФГПОУ

Магистратура института морских технологий энергетики и транспорта

Диссертация на соискание академической степени магистра

Тема: «Влияние приборов повышенного напряжения на потребителя и приборы учета»

Астрахань -- 2019



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕМЫ: «ВЛИЯНИЕ ПРИБОРОВ ПОВЫШЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОТРЕБИТЕЛЯ И ПРИБОРЫ УЧЕТА»

1.1 Влияние качества напряжения на работу потребителей и приборы учета

1.2 Высокое и повышенное напряжение. Причины возникновения

1.3 Влияние отклонений напряжения на работу электроприемников

1.4 Регулирование частоты

1.5 Регулирование напряжения

1.6 Средства регулирования напряжения Ранее были перечислены основные средства централизованного и местного регулирования напряжения в электрических сетях. Рассмотрим их особенности

1.7 Баланс активной и реактивной мощности

1.8 Оптимизация распределения мощностей

1.9 Повышение надежности электроснабжения

1.10 Инновационные процессы в энергетики и влияние процесса повышенного напряжения на потребителя и приборы учета в электроэнергетике

ГЛАВА 2. СОДЕРЖАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ТЕМЕ: «ВЛИЯНИЕ ПРИБОРОВ ПОВЫШЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОТРЕБИТЕЛЯ И ПРИБОРЫ УЧЕТА»

2.1 Диагностика влияния приборов повышенного напряжения на потребителя и приборы учета в АГТУ



ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. На сегодняшний день одной из проблем современного мира является влияние повышенного напряжения на потребителя и приборы учета.

В начале 3-го тысячелетия появились новые технологии и стало ясно, что традиционная форма энергосбережения должна быть гибкой, мобильной, соответствовать требованиям времени и новым условиям существования человечества. Перед современным обществом стоит одна из важнейших задач подготовок потребителей к жизни в новых условиях цивилизации, научиться управлять энергией, используя новые инновационные процессы ХХI века.

Данная проблема подразумевает под собой решение конкретных задач, одной из которых является бесперебойное электроснабжение, которое является одним из основных параметров общей концепции качества электроэнергии.

В данной теме я опираюсь на такие дисциплины, как электромеханика, телемеханика, информатика, а также электроника, механика и радиотехника и проследил данный вопрос в своей экспериментальной работе. Доказал значимость исследования в настоящее время.

В научной среде данную тему рассматривают очень многие аспекты.

Предметом внимания в теме «Влияние приборов повышенного напряжения на потребителя и приборы учета» являются: публикации под ред. В.А. Винникова, Мельникова Н.А. «Электрические системы и сети»; публикация Боровикова В.А., Косарева В.И., Ходота Г.А. «Электрические сети энергетических систем»; Блок В.М. «Электрические сети и системы».

Данные исследований помогают формировать новые знания о повышенном напряжении и о приборах учета. Поэтому я сосредоточил свое внимание на данной теме, обеспечивая ее эффективность в жизни современного общества.

Проблема заключается в разрешении выдвинутых противоречий на базе теоретических источников, что и определяет тему исследования: «Влияние приборов повышенного напряжения на потребителя и приборы учета в АГТУ»

Цель исследования: теоретически обосновать, экспериментально апробировать модель влияния напряжения на потребителя и приборы учета в АГТУ .

Объект исследования: процесс повышения качества повышенного напряжения в аудиториях и общежитии АГТУ .

Гипотеза исследования: процесс повышения качества повышенного напряжения будет успешным, если разработать и апробировать модель влияния напряжения на потребителя и приборы учета в АГТУ.

Задачи исследования:

1. Проанализировать проблему влияния приборов повышенного напряжения на потребителя и приборы учета в АГТУ.

2. Выявить особенности и средства повышенного напряжения на потребителя и приборы учета в АГТУ.

3. Разработать модель повышенного напряжения на потребителя и приборы учета в АГТУ .

4. Диагностировать действие повышенного напряжения на потребителя и приборы учета в АГТУ.

5. Апробировать модель влияния приборов повышенного напряжения на потребителя и приборы учета в АГТУ

Методы исследования:

• теоретический: анализ литературы, изучение теории и истории вопроса по проблеме исследования, провести сравнительно-сопоставительный анализ.

• эмпирический: проведение анкетирования и бесед со студентами и педагогами по проблеме.

Экспериментальной базой исследования послужило ФГБОУ «АГТУ».

Этапы исследования:

Первый этап -- аналитический. Осуществлялось изучение проблемы повышенного напряжения на потребителя и приборы учета; определялись ключевые позиции исследования (объект, предмет, цель, задачи).

Второй этап. Провести на примерах эксперимента влияния напряжения на потребителя и приборы учета в АГТУ .

Третий этап. Обобщающий. Обобщены экспериментальные материалы, определены возможности влияния напряжения на потребителя и приборы учета в АГТУ .

Теоретические положения, выносимые на защиту:

1. Влияние повышенного напряжения на потребителя и приборы учета, направленных на решение исследовательских задач в АГТУ.

2. Представленная модель повышенного напряжения включает такие компоненты как: качество электроэнергии и его обеспечение; регулирование частоты; регулирование напряжения; средства регулирования напряжения; оптимизация рабочих режимов, которые во взаимодействии и взаимосвязи обеспечивают влияния напряжения на потребителя и приборы учета.

3. При формировании повышенного напряжения используются основные средства, к которым можно отнести индивидуальный проект; поиск нужной информации в специальных изданиях, источниках; исследовать результат деятельности.

4. Основным условием выступает заинтересованность всех субъектов в процессе и результате повышенного напряжения на потребителя и приборы учета.

Научная новизна исследования:

• определено содержание новых инновационных процессов XXI века в области управления энергией;

• выделены и проанализированы особенности и средства влияния повышенного напряжения на потребителя и приборы учета.

Теоретическая значимость исследования:

• выявлены и охарактеризованы особенности приборов повышенного напряжения на потребителя и приборы учета в АГТУ;

• конкретизированы понятия: повышенное напряжение, приборы повышенного напряжения, приборы учета;

• уточнена и проанализирована структура приборов повышенного напряжения в условиях современного общества.

Проведенное исследование вносит определенный вклад в развитие использования новейших технологий по данной теме в учебных заведениях.

Практическая значимость исследования состоит в том, чтобы найти более эффективные пути использования электроэнергии в учебных заведениях.

Достоверность и обоснованность результатов исследования: обеспечивались исходными результатами исследований, проводимых в учебных заведениях; адекватностью методов исследования поставленным задачам, характером изучения проблемы, экспериментальным подтверждением гипотезы, качественным и количественным анализом полученного теоретического и практического материала.

Апробация и внедрение результатов исследования. Основные положения и выводы диссертационной работы отражены в статьях, докладах, опубликованных автором.

Структура работы. Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы, приложения.



ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕМЫ: «ВЛИЯНИЕ ПРИБОРОВ ПОВЫШЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОТРЕБИТЕЛЯ И ПРИБОРЫ УЧЕТА»

1.1 Влияние качества напряжения на работу потребителей и приборы учета

Качество электроэнергии (КЭ), подводимой к потребителям, будем характеризовать степенью близости напряжения и тока к перечисленным ниже номинальным параметрам.

Влияние отклонений напряжения:

N=Nc(1-K3*Unom в квадрате/ U в квадрате)* Snom

Люминесцентные лампы столь чувствительны. Колебания напряжения более 10% могут привести к погасанию газоразрядной лампы.

Качество электроэнергии на выходе с электростанций достаточно высокое, но в процессе ее передачи по сети и потребления оно ухудшается. Во-первых, вследствие потерь напряжения в сети значение его у потребители уменьшается; во-вторых, в результате влияния ряда специфических электроприемников и преобразователей электроэнергии возникают несимметрия и несинусоидальностъ напряжения. Это вызывает ухудшение технико-экономических показателей работы других ЭП.

Например, отрицательно сказывается на работе асинхронных двигателей и осветительных ламп, составляющих значительную часть всех электроприемников, как понижение, так и повышение напряжения. При снижении напряжения, подводимого к асинхронным двигателям, резко уменьшается их вращающий момент и возрастают потери электроэнергии вследствие роста рабочего тока. Известно, что асинхронные двигатели обладают эффектом саморегулирования по мощности, т.е. их активная мощность остается практически неизменной при изменении напряжения, это значит, что относительно на столько же увеличивается (уменьшается) ток, на сколько уменьшается (увеличивается) напряжение.

Рост напряжения ведет к дополнительному нагреву стали асинхронного двигателя и резкому возрастанию потребления реактивной мощности в соответствии со статической характеристикой.

Выбор автоматических выключателей для защиты наружных сетей напряжением 0,38кВ.

Выбор автоматических выключателей для защиты наружных сетей

напряжением 0,38 Кв.

Автоматические выключатели выбирают в соответствии со следующими условиями:

1) по напряжению сети;

2) по номинальному току плавкой вставки;

3) по предельному отключаемому току;

4) по надежности;

5) по чувствительности.

Длительность провала напряжения.

Длительность провала напряжения Дtпр - интервал времени между начальным моментом провала напряжения и моментом восстановления напряжения до первоначального или близкого к нему уровня (рис. 2), т. е. Дtпр = t вос. - t нач.

Рис. 2. Длительность и глубина провала напряжения



Значение Дtпр составляет от нескольких периодов до нескольких десятков секунд. Провал напряжения характеризуется интенсивностью и глубиной провала д Uпр, представляющей собой разность между номинальным значением напряжения и минимальным действующим значением напряжения Umin в течение провала напряжения, и выражается в процентах номинального значения напряжения или в абсолютных единицах.

Величина д Uпр определяется следующим образом:

д Uпр = ((Uн - Umin)/Uн) х 100% или д Uпр = Uн - Umin

Доза фликера.

Доза фликера- это мера восприимчивости человека к воздействию колебаний светового потока, вызванных колебаниями напряжения в питающей сети, за установленный промежуток времени.

Исходными данными для расчета являются уровни фликера, измеряемые с помощью фликерметра -- прибора, в котором моделируется кривая чувствительности (амплитудно-частотная характеристика) органа зрения человека.

Защита трансформаторов.

В соответствии с ПУЭ применяются следующие основные типы РЗ:

1. Защита предохранителями ( от к.з. на вводе трансформатора высшего напряжения и частично от к.з. на высшей стороне для трансформаторов мощностью до 630 кВ*А).

2. Токовая отсечка( от к.з. на на наружных выводах высшего напряжения трансформаторов мощностью до 6,3 МВ*А).

3. Максимальная токовая защита ( от сверхтоков, обусловленных внешним межфазным к.з. на низшей или средней стороне).

4. Максимальная токовая защита в одной фазе ( от сверхтоков, обусловленных перегрузкой трансформаторов мощностью 400 кВ*А и выше, у которых возможна перегрузка после отключения параллельно работающего трансформатора).

5. Продольная дифференцированная защита ( от к.з. в обмотках и на их выводах трансформаторов мощностью 6,3 МВ*А и выше, на параллельно работающих трансформаторов мощностью 4 МВ*А).

6.Газовая защита( от всех видов повреждений внутри бака трансформатора, сопровождающихся выделением газа из трансформаторного масла, и от понижения уровня масла, для трансформаторов мощностью 6,3 МВ*А и ваше и мощностью 630 КВ*А при установке их внутри цехов).

Импульсное напряжение.

Импульсные напряжения вызываются грозовыми явлениями, а также переходными процессами при коммутациях в системе электроснабжения. Грозовые и коммутационные импульсы напряжения существенно различаются по характеристикам и форме.

Импульсное напряжение- это резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня в течение 10-15 мкс (грозовой импульс) и 10-15 мс (коммутационный импульс).

Индукционные реле.

Индукционные реле пригодны только работы на переменном токе. Их применяют: в качестве реле тока, мощности, сопротивления, частоты и специальных защит.

Выпускают 2 типа:

-реле тока с короткозамкнутыми витками и подвижной системой в виде диска

-реле др. назначения с полюсами и подвижной системой в виде станка.

Наибольшее распространение индукционные реле, в которых в магнитном потоке, сдвинутых в пространстве и по фазе, получается путем расщепления потока одного эл.магнита на 2 части за счет действия к.з.витков в виде колец.



2-кольцо Фв=Ф1+Ф2

3-диск

4-пружины

5-контакты

Поток Фр, созданный током I в обмотке реле расщепляется на 2 потока Ф1 и Ф2. Эти потоки наводят в диске ЭДС, отстающие от потока на 90 градусов Е1 и Е2 и обуславливают появление в диске токов I1 и I2. В результате взаимодействия между 44*-*-*-*9 потоком Ф2 и током I2 и Ф1 и I1 возникает вращающий момент Мвр.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения.

Коэффициент искажения синусоидальности напряжения определяют по формуле

где - значение n-й гармонической составляющей напряжения; - значение первой основы.

По этой же причине можно наблюдать повышенное напряжение в АГТУ. Здесь изменение параметров тока связаны с сезонностью и периодичностью потребления тока. Летом мы наблюдаем снижение потребления электроэнергии. В этот период студенты и преподаватели находится в отпусках и на каникулах и поэтому меньше тратится энергия, а зимой потребление тока резко возрастает. В выходные дни потребление в АГТУ падает, а в рабочие дни растет. В результате имеем картину неравномерного потребления энергии.

В этом случае, если установить выходное напряжение на подстанции (они как правило не достаточной мощности) нормальным (220 Вольт), то зимой в рабочие дни напряжение резко уменьшается и будет пониженным. Поэтому электрики изначально настраивают трансформатор на повышенное напряжение. В итоге летом в АГТУ напряжение высокое или повышенное. Вторая большая группа причин появления высокого напряжения -- это перекосы по фазам при подключении потребителей.

Часто бывает так, что подключение потребителей происходит хаотично, без предварительного плана и проекта. Или в ходе реализации проекта, ремонта происходит изменение значения потребления на разных фазах линии передач. Это может привести к тому, что на одной фазе напряжение будет пониженным, а на другой фазе повышенным.

Третья группа причин повышенного напряжения в сети -- это аварии на линиях электропередач и внутренних линиях. Здесь следует выделить две основные причины -- обрыв нуля и попадание тока высокого напряжения в обычные сети. Второй случай -- это редкость, случается в городах в сильный ветер, ураган. Бывает, что линия питания электротранспорта (трамвая или троллейбуса) попадает при обрыве на линии городских сетей. В этом случае в сеть может попасть и 300, и 400 Вольт.

Теперь рассмотрим, что происходит при пропадании «нуля» во внутренних сетях АГТУ. Этот случай бывает довольно часто. Если в одном корпусе используется две фазы, то при пропадании нуля (например нет контакта на нуле) происходит изменение значения напряжения на разных фазах. На той фазе, где сейчас нагрузка в другом корпусе меньше, напряжение будет завышенным, на второй фазе пониженным. Причем напряжение распределяется обратно пропорционально нагрузке.

Так если на одной фазе нагрузка именно в этот момент в 10 раз больше чем на другой, то мы можем получить на первой фазе 30 Вольт (низкое напряжение), а на второй фазе 300 Вольт (высокое напряжение). Что приведет к сгоранию электрических приборов, и возможно пожару. ной) гармоники напряжения. Нормы качества электроэнергии по коэффициенту искажения синусоидальности кривой напряжения

Нормально допустимое значение при кВ	Предельно допустимое значение при кВ
0,38	6-20		110-330	0,38	6-20		110-330
8,0	5,0	4,0	2,0	12,0	8,0	6,0	3,0

Коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности.

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

--по обратной последовательности;

--о нулевой последовательности.

Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности равен, %

где U2(1) - действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений, В;

U1(1) - действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты, В.

Допускается вычислять K2U по выражению, % :



где Uном.мф- номинальное значение междуфазного напряжения сети, В.

Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в точке общего присоединения к электрическим сетям равны 2,0 и 4,0 % .

Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности равен, % :

где U0(1) - действующее значение напряжения нулевой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений, В.

Допускается вычислять K0U по формуле, %

где Uном.ф - номинальное значение фазного напряжения, В.

Измерение коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности проводят в четырехпроводной сети.

Нормированные значения коэффициента несимметрии напряжений по нулевой последовательности в точке общего присоединения к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 0,38 кВ также равны 2,0 и 4,0 %

1.2 Высокое и повышенное напряжение. Причины возникновения

В наших электросетях могут появиться высокое или повышенное напряжение. Как правило к повышению напряжения могут привести некачественные электрические сети или аварии в сетях. К достаткам сетей можно отнести: устаревшие сети, низкокачественное обслуживание сетей, высокий процент амортизации электрооборудования, неэффективное планирование линий передач и распределительных станций, не управляемый рост количества потребителей. Это приводит к тому, что сотни тысяч потребителей, получают высокое или повышенное напряжение. Значение напряжения в таких сетях может достигать 260, 280, 300 и даже 380 Вольт.

Одной из причин повышенного, как не странно, может быть пониженное напряжение потребителей, находящихся далеко от трансформаторной подстанции. В этом случае часто электрики умышленно повышают выходное напряжение электрической подстанции, чтобы добить удовлетворительных показателей тока у последних в линии передач потребителей. В итоге у первых в линии напряжение будет повышенным.

По этой же причине можно наблюдать повышенное напряжение в АГТУ. Здесь изменение параметров тока связаны с сезонностью и периодичностью потребления тока. Летом мы наблюдаем снижение потребления электроэнергии. В этот период студенты и преподаватели находится в отпусках и на каникулах и поэтому меньше тратится энергия, а зимой потребление тока резко возрастает. В выходные дни потребление на в АГТУ падает, а в рабочие дни растет. В результате имеем картину неравномерного потребления энергии. В этом случае, если установить выходное напряжение на подстанции (они как правило не достаточной мощности) нормальным (220 Вольт), то зимой в рабочие дни напряжение резко уменьшается и будет пониженным. Поэтому электрики изначально настраивают трансформатор на повышенное напряжение. В итоге летом в АГТУ напряжение высокое или повышенное.

Вторая большая группа причин появления высокого напряжения -- это перекосы по фазам при подключении потребителей. Часто бывает так, что подключение потребителей происходит хаотично, без предварительного плана и проекта. Или в ходе реализации проекта, ремонта происходит изменение значения потребления на разных фазах линии передач. Это может привести к тому, что на одной фазе напряжение будет пониженным, а на другой фазе повышенным.

Третья группа причин повышенного напряжения в сети -- это аварии на линиях электропередач и внутренних линиях. Здесь следует выделить две основные причины -- обрыв нуля и попадание тока высокого напряжения в обычные сети. Второй случай -- это редкость, случается в городах в сильный ветер, ураган. Бывает, что линия питания электротранспорта (трамвая или троллейбуса) попадает при обрыве на линии городских сетей. В этом случае в сеть может попасть и 300, и 400 Вольт.

Теперь рассмотрим, что происходит при пропадании «нуля» во внутренних сетях АГТУ. Этот случай бывает довольно часто. Если в одном корпусе используется две фазы, то при пропадании нуля (например нет контакта на нуле) происходит изменение значения напряжения на разных фазах. На той фазе, где сейчас нагрузка в другом корпусе меньше, напряжение будет завышенным, на второй фазе пониженным. Причем напряжение распределяется обратно пропорционально нагрузке. Так если на одной фазе нагрузка именно в этот момент в 10 раз больше чем на другой, то мы можем получить на первой фазе 30 Вольт (низкое напряжение), а на второй фазе 300 Вольт (высокое напряжение). Что приведет к сгоранию электрических приборов, и возможно пожару.

1.3 Влияние отклонений напряжения на работу электроприемников

Значительное влияние напряжения сети на работу электроприемников заставляет уделять большое внимание поддержанию напряжения на зажимах потребителей, близкого к номинальному напряжению. Подводимое к потребителям напряжение является одним из качественных показателей электроэнергии. Изменения напряжения в сети можно классифицировать следующим образом:

1. Медленно протекающие изменения напряжения, которые обычно и бывают при работе сети. Эти изменения называются отклонениями напряжения. Отклонения напряжения определяются как разность действительного напряжения на зажимах электроприемников и номинального напряжения. Отклонения напряжения могут быть отрицательными и положительными величинами. Первым соответствуют понижения напряжения по отношению к номинальному, вторым -повышения напряжения.

2. Быстро протекающие изменения напряжения вследствие аварий в электрических системах и других причин. В качестве примеров можно указать на короткие замыкания, качание машин, включение и отключение одного из элементов установки и т. п. Быстро протекающие изменения называются колебаниями напряжения.

Все приемники электрической энергии конструируются для работы при определенном номинальным напряжении. Отклонения напряжения от номинального на их зажимах ведет к ухудшению работы электроприемников.

Изменение основных характеристик ламп накаливания в зависимости от напряжения на их зажимах дано на рис. 1.

Рис. 1. Характеристики ламп накаливания: 1 - световой поток, 2 - светоотдача, 3 - срок службы (цифры на ординате для кривых 1 и 2).

Приведенные кривые показывают большое влияние напряжения на работу ламп накаливания. Например, снижению напряжения на 5% соответствует уменьшение светового потока на 18%, а понижение напряжения на 10% вызывает снижение светового потока лампы более чем на 30%.

Снижение светового потока ламп приводит к уменьшению освещенности рабочего места, в результате чего уменьшается производительность труда и ухудшаются качественные показатели.

Плохое освещение рабочих мест, проходов, улиц и т. д. увеличивает количество несчастных случаев с людьми. Понижение напряжения ухудшает к. п. д. Ламп накаливания. Снижение напряжения на 10% уменьшает световую отдачу лампы (лм/м/вт) на 20%.



Повышение напряжения сети приводит к увеличению к. п. д. ламп. Но повышение напряжения влечет за собой резкое уменьшение срока службы ламп. При повышении напряжения на 5% срок службы ламп накаливания уменьшается вдвое, а при повышении на 10% - более чем в 3 раза.

Люминесцентные лампы менее чувствительны к отклонениям напряжения сети. Отклонения напряжения на 1 % в среднем вызывают изменение светового потока лампы на 1,25%.

У бытовых нагревательных приборов (плитки, утюги и т. п.) нагревательные элементы состоят из активных сопротивлений. Мощность, отдаваемая ими в зависимости от напряжения сети, выражается уравнением P = I2R = U2/R показывающим, что снижение напряжения сети вызывает резкое уменьшение мощности, отдаваемой нагревательным прибором. Последнее приводит к значительному увеличению времени работы прибора и перерасходу электроэнергии на приготовление пищи и т. д.

Характеристики всех других бытовых электроприборов также зависят от подведенного напряжения. При изменениях напряжения на зажимах электродвигателей изменяются вращающий момент, потребляемая мощность и срок службы изоляции обмоток.

Вращающие моменты асинхронных электродвигателей пропорциональны квадрату приложенного к их зажимам напряжения. Если момент двигателя при номинальном напряжении принять за 100%, то при напряжении 90%, например, вращающий момент составит 81%. Сильное снижение напряжения может даже привести к остановке электродвигателей или невозможности пустить электродвигатель, приводящий в движение машину с тяжелыми условиями пуска (подъемники, дробилки, мельницы и т. д.). Недостаточные (вращающие моменты электродвигателей могут явиться причиной брака продукции, порчи полуфабриката и т. п.

Зависимости изменения потребляемой электродвигателями мощности от напряжения при стационарном режиме работы системы называются статическими характеристиками электрической нагрузки потребителей.

При понижении напряжения активная мощность, потребляемая электродвигателем, уменьшается вследствие уменьшения вращающего момента и связанного с этим увеличения скольжения.

Увеличение скольжения вызывает возрастание потерь активной мощности в двигателе. При увеличении напряжения скольжение уменьшается и потребная для привода механизма мощность увеличивается. Потери активной мощности в электродвигателе уменьшаются.

Анализ показывает, что активная нагрузка от электродвигателей при изменениях напряжения, соответствующих нормальным режимам работы системы, меняется незначительно и потому может приниматься постоянной.

Изменение реактивной нагрузки электродвигателей от напряжения зависят от соотношения реактивной мощности намагничивания и реактивной мощности рассеяния двигателей. Реактивная мощность намагничивания изменяется примерно пропорционально четвертой степени напряжения. Реактивная мощность рассеяния, зависящая от тока электродвигателей, изменяется обратно пропорционально примерно второй степени напряжения.

При снижениях напряжения против номинального (до некоторой величины) реактивная нагрузка электродвигателей всегда снижается. Объясняется это тем, что реактивная мощность намагничивания, составляющая до 70% всей реактивной мощности, потребляемой электродвигателем, снижается быстрее, чем увеличивается реактивная мощность рассеяния.

Зависимости потребления реактивной мощности от напряжения сети для некоторых потребителей приведены на рис. 2. Эти кривые - статические характеристики электрических нагрузок потребителей в целом, т. е. С учетом влияния на них трансформаторов, освещения и т.д.

Рис. 2. Статические характеристики электрических нагрузок: 1 - бумажный комбинат, cosц= 0,92, 2 - металлообрабатывающий завод, cosц= 0,93, 3 - текстильная фабрика, cosц= 0,77.

Кривая 1 бумажного комбината идет очень круто. Чем меньше загрузка двигателей и чем выше коэффициент мощности их при номинальном напряжении, тем круче идет кривая зависимости потребляемой реактивной мощности от напряжения сети. Длительное снижение напряжения на 10% на зажимах электродвигателей при полной их загрузке приводит вследствие более высокой температуры обмоток к износу изоляции двигателей примерно вдвое скорее, чем при номинальном напряжении.

1.4 Регулирование частоты

Требуемое качество электроэнергии у потребителей обеспечивается комплексом технических и организационных мер, главными целями которых является регулирование частоты в системе и регулирование напряжения как в системе в целом, так и в отдельных ее узлах. Обеспечение других показателей качества, как правило, является второстепенной задачей, которая решается в основном местными средствами.

Частота в системе пропорциональна частоте вращения турбин, вращающих генераторы, и отклонения ее происходят одновременно во всей системе:

где w -- угловая скорость турбины, рад/с; р -- число пар полюсов генератора.

Отклонение частоты связано с изменением выработки активной мощности в системе, поэтому для регулирования частоты система должна располагать резервом активной мощности.

Регулирование частоты осуществляется частотной станцией, которая воспринимает все быстрые изменения нагрузки, тогда как медленные и более значительные изменения воспринимаются остальными станциями системы. При фиксированном поступлении энергоносителя (воды, пара) в турбины частота в системе зависит от нагрузки. Увеличение нагрузки ведет к снижению частоты и наоборот. Поддержание частоты в заданных пределах выполняют центробежные регуляторы скорости турбины, которые через сервопривод воздействуют на поток энергоносителя, поступающего в турбины.

Регуляторы частоты характеризуются статическими характеристиками 1 и 2 (рис. 3). Частотная станция характеризуется суммарной статической характеристикой по частоте.

Рис. 3 Основной показатель этих характеристик -- статизм.

где--соответствующие изменения частоты и актив
ной мощности, Гц и МВт.

Статизм характеристик регуляторов паровых турбин, например, имеет значение 0,02.. 0,04. При работе станции на характеристике 1 при нагрузке, соответствующей характеристике. установившийся режим будет соответствовать точке A (fH, Рп). Изменение нагрузки (переход на характеристику II) вызовет снижение частоты и переход в новую рабочую точку Ах.

Регулятор частоты для восстановления ее заданного уровня должен перевести станцию на новую статическую характеристику и обеспечить работу в новом режиме, соответствующем точке А, но расход энергоносителя в данном случае будет уже большим. Этот процесс регулирования частоты осуществляется непрерывно и автоматически с помощью регулятора и называется первичным регулированием.

Для перераспределения активной мощности между работающими турбинами при неизменной частоте необходимо изменить установки регуляторов турбин, т. е. сместить их статические характеристики. Такое воздействие производится либо вручную, либо с помощью вторичного регулятора активной мощности и называется вторичным регулированием. Вторичное регулирование осуществляется на станции, ведущей частоту, которая и воспринимает все пики и сбросы нагрузки в то время, как остальные станции системы работают по заранее заданному графику нагрузки.

Станция, ведущая частоту, обычно одна из самых мощных в системе, но если ее мощности для покрытия пика нагрузки недостаточно, то ей в помощь выделяют дополнительную станцию.

1.5 Регулирование напряжения

Передача электроэнергии от станций до потребителей сопровождается многократной трансформацией (2--5 и более раз) и поступает по сетям двух-четырех и более уровней напряжения (рис. А, а). Каждая трансформация сопровождается потерей напряжения от 2 до 7% в зависимости от напряжения к. з. трансформатора, величины и коэффициента мощности нагрузки. В сети каждого напряжения при максимальной нагрузке потеря напряжения достигает 5... 10%.



Суммарная потеря напряжения от шин электростанции до потребителей без компенсации потерь может составлять от 20 до 45% (рис. 4, б) в зависимости от протяженности системы, количества сетей разных напряжений, количества трансформаций энергии и величины нагрузки.

Для компенсации потери напряжения в элементах сети при передаче энергии предусматривают ряд мер: повышение номинального напряжения генераторов (1,05Uн потребителей), изменение коэффициента трансформации трансформаторов, создающего необходимую добавку напряжения и др. Они позволяют улучшить качество напряжения, уменьшить его отклонения от номинального значения (рис. 4. в).

Величина передаваемой по сети мощности нагрузки в течение суток, сезонов, года изменяется в широких пределах (может снижаться до 10... 50% от максимальной). Это является основной причиной постоянно меняющихся отклонений напряжения на шинах потребителей даже при наличии компенсации потерь. Отклонения напряжения могут быть вызваны также изменениями условий работы `электростанций, изменением схемы сетей и другими причинами.

Для обеспечения требуемого качества напряжения в электрической системе осуществляют его регулирование, представляющее собой комплекс средств, ограничивающих отклонения напряжения у потребителей в нормированных пределах. Такими средствами являются регулирование напряжения генераторов путем изменения возбуждения, применение трансформаторов с устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) или линейных регуляторов (ЛР), установка на понижающих подстанциях синхронных компенсаторов (СК), батарей конденсаторов (БК), тиристорных компенсирующих установок (ТКУ), применение автоматического регулирования возбуждения мощных синхронных двигателей, применение продольной и регулируемой поперечной емкостной компенсации.

Уровни напряжений в узловых точках и отдельных районах электрической сети определяются режимом реактивной и активной мощностей в системе, а также реактивными и активными сопротивлениями сети:

где--соответственно продольная и поперечная составляющие падения напряжения в сети, кВ.

Реактивные сопротивления сетей значительно больше активных. Это приводит к тому, что отклонения напряжения в большей мере определяются режимом реактивной мощности. На рис. 5 приведены статические характеристики системы по напряжению (кривые 1, 2), показывающие связь изменений напряжения с генерацией и потреблением реактивной мощности.

Рис. 6 По кривой 1 видно, что при увеличении потребляемой реактивной мощности происходит снижение напряжения,

Новый режим по напряжению устанавливается в точке Аи при этом напряжение снижается до уровня Uu и, чтобы восстановить его, необходимо увеличить генерацию реактивной мощности до величины Q2, т. е. перейти на новую статическую характеристику 2. На электростанциях это осуществляется изменением тока возбуждения генераторов, влияющего на ЭДС и, следовательно, на генерируемую реактивную мощность.

1.6 Средства регулирования напряжения Ранее были перечислены основные средства централизованного и местного регулирования напряжения в электрических сетях. Рассмотрим их особенности

1. Регулирование напряжения генераторами станций.

Все генераторы электростанций оборудованы устройствами автоматического регулирования возбуждения (АРВ). Генератор вырабатывает номинальную активную мощность при отклонениях напряжения от номинального не более ±5%. При больших отклонениях мощность генератора должна быть снижена, по этой причине пределы регулирования напряжения с помощью генераторов ограничены. В связи с изменяющейся нагрузкой системы все генераторы электростанций работают по заданным графикам генерации активной и реактивной мощности. Условия работы электростанций в системе различны. Это влияет и на возможности регулирования напряжения с помощью генераторов.

Рис. 8 Этот способ регулирования напряжения на таких станциях является основным средством обеспечения заданного режима напряжения у нагрузок

При работе электрической станции изолированно ее генераторы, подключенные к шинам ГРУ с присоединенной к ним распределительной сетью (рис. 8, а) относительно малой протяженности, осуществляют регулирование напряжения изменением возбуждения.

Пределы регулирования напряжения изменением возбуждения допускаются не ниже 105% номинального в период наибольших нагрузок и не выше 100% номинального в период наименьших нагрузок. При наличии сети высокого напряжения трансформаторы связи генераторов с РУВН предпочтительнее иметь с РПН.

При работе в блоках с трансформаторами связи (рис. 8, б) генераторы непосредственно не связаны с распределительными сетями генераторного напряжения, а нагрузка собственных нужд обычно питается через трансформаторы с РПН. Эти условия позволяют использовать полностью предел изменения напряжения на блочных генераторах от --5% до + 10% относительно номинального. Трансформаторы связи в блочных схемах применяются без РПН.

На электростанциях, объединенных в энергетическую систему (рис. 8, в), изменения напряжений должны осуществляться согласованно по графику, т. к. изменение напряжения даже у одной из станций приведет к перераспределению выработки реактивной мощности всех станций системы. Это условие ограничивает возможности регулирования напряжения в отдельных районах системы, поэтому в мощных системах регулирование напряжения только генераторами станций не является достаточным и требует дополнительных средств.

2. Регулирование напряжения изменением коэффициента трансформации трансформаторов.

Для регулирования напряжения с помощью трансформаторов необходимо иметь возможность изменять соотношение витков обмоток трансформаторов. Это достигается тем, что, помимо основных ответвлений обмоток, предусматривают дополнительные (регулировочные) ответвления. Регулировочные ответвления обычно выполняются на стороне высокого напряжения трансформаторов, так как это значительно облегчает переключающее устройство (меньшие токи).

Трансформаторы с переключенном ответвлений без возбуждения (ПБВ) не позволяют регулировать напряжение в течение суток, так как это связано с необходимостью отключения трансформатора для каждого переключения, что по эксплуатационным условиям недопустимо По этой причине ПБВ используется только для сезонного регулирования напряжения (2--3 раза в год). Современные трансформаторы с ПБВ позволяют регулировать напряжение в пределах ±5% с шагом 2,5% от номинального. Устройства ПБВ устанавливаются на трансформаторах мощностью не более 630 кВ-А, Схема одной фазы трансформатора с ПБВ приведена на рис. 9, а. Требуемый коэффициент трансформации трансформатора устанавливается с помощью переключателя П.

Рис. 9 Трансформаторы с РПН позволяют регулировать напряжение под нагрузкой, т. е без отключения от сети, без перерыва электроснабжения потребителей.

Устройства РПН устанавливаются на мощных трансформаторах с напряжением выше 20 кВ. Регулировочные ступени трансформаторов выполняются на обмотке высшего напряжения со стороны присоединения ее к нейтрали (рис. 9, б). На этом рисунке обозначено регулирующее устройство РУ, включающее в себя ступень грубой регулировки П и ответвления тонкой регулировки, выбираемые с помощью избирателя И. Пределы регулирования напряжения трансформаторов с РПН составляют от ±10% до ±16% ступенями 1,5... 2,5% от номинального. Приведенная схема одной фазы трансформатора с РПН иллюстрирует лишь принцип регулирования напряжения. Реальные устройства РПН имеют более сложную конструкцию, включающую ряд дополнительных элементов.

Автотрансформаторы осуществляют регулирование напряжения либо за счет ответвлений на обмотке высшего напряжения (со стороны присоединения ее к нейтрали, что облегчает изоляцию переключающего устройства), либо с помощью регулировочной обмотки на линейном конце среднего напряжения, как показано на рис. 9, в. В первом случае имеет место связанное регулирование, т. к. при переключении ответвлений одновременно меняется количество витков обмоток высшего и среднего напряжения. Во втором случае регулирование будет независимым, но переключающее устройство должно рассчитываться на номинальный ток, а изоляция на полное напряжение средней обмотки.

При такой схеме автотрансформатора регулируется коэффициент трансформации между обмотками высшего и среднего напряжения, а соотношение витков обмоток ВН и НН остается неизменным. В основном автотрансформаторы выпускаются с устройствами РПН на стороне среднего напряжения. Такие автотрансформаторы применяются на большие мощности и высокие напряжения. Диапазон регулирования на стороне среднего напряжения составляет ±12% со ступенями 2% от номинального.

Линейные регуляторы (ЛР), или последовательные регулировочные трансформаторы служат для регулирования напряжения и перераспределения потоков мощности в линиях. Они устанавливаются либо последовательно с нерегулируемыми обмотками трансформаторов, либо непосредственно в линии. На рис. 9, г показана схема включения ЛР в цепь автотрансформатора. Регулятор содержит регулируемый автотрансформатор РАТ и последовательный трансформатор ПТ, с помощью которого вводится дополнительная ЭДС Едоб в нейтраль обмотки высшего напряжения, чем достигается изменение соотношения напряжений обмоток ВН и СН относительно обмотки НН. Диапазон регулирования ЛР достигает ±15% от номинального. ЛР значительно дороже устройств РПН поэтому их применение ограничено. Существенным достоинством линейных регуляторов является возможность не только продольного регулирования напряжения, но и поперечного (изменением фазы ЕДоб). Эго свойство ЛР особенно широко используется при регулировании потоков мощности в линиях электропередач. Мощность ЛР достигает 125 MB-А, а уровень напряжения 110 кВ. напряжение надежность электроснабжение

3. Регулирование напряжения с помощью компенсирующих устройств

Потеря напряжения, характеризующая изменение напряжения у потребителей, при пренебрежении поперечной составляющей падения напряжения определяется зависимостью (19). Регулируя потери напряжения, можно поддерживать требуемый уровень напряжения на шинах потребителей Из формулы (19) следует, что одним из эффективных средств регулирования напряжения является изменение реактивной мощности, передаваемой сетью. Реактивная мощность вырабатывается не только генераторами электростанций, но и другими источниками: синхронными компенсаторами (СК), синхронными двигателями (СД), батареями конденсаторов (БК), статическими источниками реактивной мощности (ИРМ), тиристорными компенсирующими установками (ТКУ) и др. При наличии источников реактивной мощности, или, как их еще называют, компенсирующих устройств, потери напряжения можно записать в следующем виде:



где Qку--реактивная мощность, генерируемая или потребляемая компенсирующим устройством, квар, Мвар.

Из формулы видно, что потери напряжения можно свести до величины, определяемой лишь потерями напряжения на активном сопротивлении сети, вырабатывая всю реактивную мощность на месте потребления (QKy = Q), либо, наоборот, увеличить их, переведя компенсирующее устройство в режим потребления реактивной мощности.

Синхронный компенсатор -- это синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу. В отличие от генератора он не имеет первичного двигателя. СК не может вырабатывать активную мощность, а для покрытия своих механических и электрических потерь он потребляет энергию из сети. При перевозбуждении СК генерирует реактивную мощность в сеть, а при недовозбуждеиии становится потребителем реактивной мощности. Регулирование напряжения с помощью СК осуществляется плавно. Синхронные компенсаторы обычно устанавливают на мощных понижающих подстанциях и включают на шины 10 кВ (рис. 10, а) или подключают к обмотке НН автотрансформатора либо к компенсационной обмотке трансформатора с РПН.

Рис. 10 Синхронный двигатель широко используется в качестве электропривода для рабочих механизмов.



Потребляя активную мощность, он одновременно может генерировать реактивную мощность (при перевозбуждении) либо потреблять ее (при недовозбуждении). СД позволяет реализовать плавное, автоматическое регулирование напряжения в местной сети. Стоимость СД высокая, но ниже, чем стоимость асинхронного двигателя такой же мощности совместно с компенсирующим устройством, позволяющим получить эквивалентный эффект регулирования напряжения. Схема подключения СД такая же, как и СК.

Батареи конденсаторов применяют в тех случаях, когда не требуется ее работа в режиме потребления реактивной мощности. Управляемые батареи конденсаторов (УБК) представляют собой группу последовательно и параллельно соединенных конденсаторов для получения требуемой мощности и для подключения на заданное напряжение (рис. 10, б). При параллельном подключении УБК к сети реактивная мощность, генерируемая батареей,

где С -- емкость конденсаторной батареи. мФ; Uc -- напряжение сети, к которой подключена УБК, кВ.

УБК более экономичны, чем СК. Их выполняют на большие мощности (до 100 и более Мвар). Батареи конденсаторов устанавливаются на крупных подстанциях и подключаются как на шины 35 кВ, так и на шины высокого напряжения 110 кВ. Наличие переключающего устройства батарей конденсаторов дает возможность ступенчатого регулирования напряжения на шинах потребителей, так как позволяет отключать часть параллельно включенных конденсаторов или всю батарею при снижении нагрузки и включать полностью все конденсаторы при ее максимуме.

Статические источники реактивной мощности (ИРМ, СКУ, СТК и др.) в последние годы получают все большее применение в силу таких их качеств, как отсутствие вращающихся частей, высокое быстродействие, плавность регулирования напряжения и генерируемой реактивной мощности. Однако их стоимость пока значительно выше, чем стоимость других компенсирующих устройств такой же мощности. Статические компенсирующие установки по принципу работы делят на две группы.

К первой группе относят установки, в которых реактивная мощность генерируется статическими конденсаторами и регулируется с помощью быстродействующих тиристорных средств, а ко второй -- установки, в которых для генерирования реактивной мощности используется свойство индуктивности аккумулировать энергию в магнитном поле.

На рис. 10, в приведена упрощенная схема тиристорного компенсатора типа ТК, предназначенного для компенсации реактивной мощности с автоматическим поддержанием напряжения или коэффициента мощности. Силовая часть компенсатора содержит два трехфазных управляемых моста, включенных параллельно и замкнутых на обмотки дросселя L. Мосты собраны по схеме независимого инвертора с отсекающими диодами и искусственной емкостной коммутацией.

Управление тиристорными мостами осуществляется системой управления СУ. Современные статические тиристорные компенсаторы, например, серии СТК. выпускаются на мощность до 450 Мвар с номинальным напряжением до 110 кВ. Эти компенсаторы нашли применение в мощных протяженных линиях электропередач, в сетях электроснабжения крупных сталеплавильных печей и для других целей.

Линии электропередачи рассматривают как распределенную емкость, зависящую от ее протяженности, диаметра фазных проводов, их взаимного расположения, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды Генерируемая ЛЭП реактивная (зарядная) мощность.



где b0 = wС0 -- погонная реактивная проводимость ЛЭП, См/км; Со -- погонная емкость ЛЭП, Ф/км; /--протяженность ЛЭП, км.

Протяженные ЛЭП являются мощными нерегулируемыми источниками реактивной мощности в системе. Эта мощность в основном изменяется за счет ее компенсации с помощью шунтирующих реакторов (поперечная индуктивная компенсация).

4. Регулирование напряжения изменением параметров сети

Такое регулирование, несмотря на ступенчатость, повышает экономичность передачи, однако его можно использовать только в том случае, если не снижается надежность электроснабжения.

Рис. 12 Продольная емкостная компенсация индуктивного сопротивления передачи возможна при последовательном включении в линию обратного по знаку емкостного сопротивления (рис. 12, а), при этом результирующее реактивное сопротивление передачи определится как Xi = XL - Хс



Из зависимостей и видно, что в незначительных пределах напряжение можно регулировать изменением активного и реактивного сопротивлений питающей сети. При нескольких параллельно работающих линиях или трансформаторах (рис. 11, а, б) в часы минимальной нагрузки, когда снижаются потери напряжения, можно отключить одну из линий или трансформатор, что приведет к увеличению потерь напряжения в питающей сети и, следовательно, к понижению напряжения у потребителя.

С учетом формулы при известных параметрах нагрузки напряжение на шинах потребителя до и после компенсации определится зависимостями (для фазных токов и напряжений):

Как видно из векторной диаграммы (рис. 12, б), при неизменном напряжении на питающем конце линии в случае включения продольной емкостной компенсации напряжение у потребителя будет выше, чем без нее. Это определяется тем, что потери напряжения на реактивном сопротивлении линии в случае компенсации снижаются, т. е.

Включение компенсации (см. рис. 12, а) осуществляется расшунтированием батареи конденсаторов коммутирующим аппаратом. Степень компенсации на отечественных ЛЭП не превышает 50% (например, ЛЭП Братск -- Иркутск имеет степень компенсации 30%).
К недостаткам этого способа регулирования напряжения относятся следующие: увеличение токов к. а. в сети, возможность появления перенапряжений на конденсаторных батареях, появление при толчках нагрузки субгармонических колебаний вплоть до субгармонического резонанса.

1.7 Баланс активной и реактивной мощности

Все элементы электрической системы (станции, подстанции, линии электропередач, сети, приемники энергии) взаимосвязаны непрерывным процессом генерирования, передачи, распределения и потребления электрической энергии. Момент производства электроэнергии практически совпадает с моментом ее потребления, поэтому в любой момент времени мощность, отдаваемая генерирующими установками, должна быть точно равна мощности суммарной нагрузки системы, т. е. должен соблюдаться баланс генерируемых и потребляемых мощностей в системе. Невыполнение этого условия или, как говорят, нарушение баланса мощностей системы приводит к отклонению параметров ее режима.

Баланс активной мощности может поддерживаться только самой системой, т. е. генераторами системы. Баланс реактивной мощности поддерживается не только системой, но и путем размещения генерирующих источников реактивной мощности (компенсирующих устройств) непосредственно на месте потребления электроэнергии. Это оправдано и техническими и экономическими соображениями, поскольку снижение передачи реактивной мощности по сетям приводит к снижению в них потерь энергии и повышению их пропускной способности.

Ориентировочно можно считать, что около двух третей реактивной мощности поступает потребителям от компенсирующих устройств и лишь одна треть от системы.

Балансу активной мощности сопутствует параметр режима-- частота, а балансу реактивной мощности -- напряжение (см. 1.3, 1.4).

1. Баланс активных мощностей

В электрической системе при любых режимах должно удовлетворяться уравнение баланса активных мощностей

где Рраб -- суммарная активная мощность, вырабатываемая генераторами электростанций (рабочая мощность системы), МВт; Рн --суммарная активная мощность нагрузок системы, МВч;-- суммарные потери активной мощности в системе (во всех звеньях от генераторов станций до потребителей энергии), МВт; Ра, -- суммарная активная мощность собственных нужд электростанций, МВт; Рпотр -- суммарная потребляемая активная мощность, МВт.

...